Application of SDRE to Achieve Gait Control in a Bipedal Robot for Knee-Type Exoskeleton Testing
作者: Ping-Kong Huang, Chien-Wu Lan, Chin-Tien Wu
分类: cs.RO, math.OC
发布日期: 2025-06-05
备注: 8 pages, 6 figures. Preliminary version submitted for documentation purposes on arXiv. This version records results presented at a conference and is not peer-reviewed
💡 一句话要点
提出基于SDRE的控制策略以实现双足机器人步态控制
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 外骨骼 步态控制 双足机器人 SDRE 康复技术 控制策略 实验验证
📋 核心要点
- 现有的外骨骼测试方法存在安全隐患，直接的人体测试可能导致故障风险和运动不一致性。
- 本研究提出了一种基于SDRE的控制策略，通过双足机器人平台重现人类步态，以实现对外骨骼的安全评估。
- 实验结果表明，所提方法能够有效复制人类步态，提供可靠的外骨骼测试机制，具有良好的重复性。
📝 摘要（中文）
外骨骼广泛应用于康复和工业领域以辅助人类运动。然而，直接的人体测试存在风险，可能由于外骨骼故障和运动复制不一致而导致问题。为提供更安全和可重复的测试环境，本研究采用双足机器人平台重现人类步态，从而实现对外骨骼的控制评估。基于状态依赖Riccati方程（SDRE）的控制策略被制定，以实现最佳扭矩控制，确保步态的准确复制。通过双摆模型表示双足机器人动力学，SDRE优化的控制输入最小化与人类运动轨迹的偏差。为符合电机行为约束，提出了一种参数化控制方法，简化控制过程，同时有效复制人类步态。实验结果验证了所提参数化控制方法在重现人类步态方面的可行性。
🔬 方法详解
问题定义：本研究旨在解决外骨骼测试中直接人体测试的安全隐患和运动复制不一致的问题。现有方法在测试过程中可能导致故障风险，影响测试结果的可靠性。
核心思路：论文提出通过双足机器人平台重现人类步态，采用基于SDRE的控制策略实现最佳扭矩控制，从而确保步态的准确复制。该设计旨在提供一个安全、可控的测试环境。
技术框架：整体架构包括双足机器人动力学建模、SDRE控制策略的实现、参数化控制方法的设计以及实验验证。主要模块包括步态重现模型、控制输入优化和实验评估。
关键创新：最重要的技术创新点在于引入了基于SDRE的控制策略，并结合参数化控制方法，简化了控制过程，同时有效复制了人类步态。这与现有方法相比，提供了更高的安全性和可重复性。
关键设计：在控制过程中，采用了分段线性速度-时间表示法，并通过电机指令重写实现了步态相位过渡的精细控制。损失函数优化了关节角度、速度和扭矩的误差，以确保与SDRE控制结果的一致性。
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的参数化控制方法在重现人类步态方面表现出色，能够有效减少关节角度、速度和扭矩的误差。与基线方法相比，步态复制的精度显著提高，验证了该方法在实际应用中的可行性和有效性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括康复机器人、外骨骼设计和人机交互系统。通过提供一个可靠的测试机制，可以更好地评估外骨骼在实际应用中的性能，推动相关技术的发展和应用。未来，该方法有望在医疗和工业领域中广泛应用，提升人类运动辅助技术的安全性和有效性。
📄 摘要（原文）
Exoskeletons are widely used in rehabilitation and industrial applications to assist human motion. However, direct human testing poses risks due to possible exoskeleton malfunctions and inconsistent movement replication. To provide a safer and more repeatable testing environment, this study employs a bipedal robot platform to reproduce human gait, allowing for controlled exoskeleton evaluations. A control strategy based on the State-Dependent Riccati Equation (SDRE) is formulated to achieve optimal torque control for accurate gait replication. The bipedal robot dynamics are represented using double pendulum model, where SDRE-optimized control inputs minimize deviations from human motion trajectories. To align with motor behavior constraints, a parameterized control method is introduced to simplify the control process while effectively replicating human gait. The proposed approach initially adopts a ramping trapezoidal velocity model, which is then adapted into a piecewise linear velocity-time representation through motor command overwriting. This modification enables finer control over gait phase transitions while ensuring compatibility with motor dynamics. The corresponding cost function optimizes the control parameters to minimize errors in joint angles, velocities, and torques relative to SDRE control result. By structuring velocity transitions in accordance with motor limitations, the method reduce the computational load associated with real-time control. Experimental results verify the feasibility of the proposed parameterized control method in reproducing human gait. The bipedal robot platform provides a reliable and repeatable testing mechanism for knee-type exoskeletons, offering insights into exoskeleton performance under controlled conditions.